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本文概述了无线传感器的工作原理，网络布局以及他们如何作用于物联网应用。物联网正以惊人的方式改变着我们的世界。物与物之间进行无线通信，可以实现数据交换的自动化，并大幅提升效率，从而对生活和生产产生积极的影响。
物联网的基础是无线传感器技术，该技术允许我们在长时间内收集有关周围环境的信息，而无需人工参与。无线传感器可以测量各种变量，从空气温度到振动。总的来说，市场上有许多不同类型的无线传感器。
许多无线网络包含数百甚至数千个无线传感器。这些设备已经广泛应用于各个领域，包括零售、农业、城市规划、安全和供应链管理等。
在本文中，我们深入探讨了无线传感器的工作原理，并解释了它们为什么对物联网革命如此重要。
无线传感器的作用是什么？
无线传感器收集有关当地情况的数据，并与其他功能强大的组件或平台共享分析结果，以供进一步处理。传感器通常分布在范围较大的地理区域，并被编程与中央集线器、网关和服务器进行通信。
无线传感器的一个主要优点是，它们需要的维护水平较低、功耗也低。充一次电或更换一次电池后，传感器可以支持物联网应用运作数年。
在建设无线网络方面，开发人员面临的问题之一是如何在该领域配置无线传感器。传感器或“节点”必须以支持网络开发人员总体目标的方式分布。
无线传感器的布网方式
无线传感器常见的两种布网是星型拓扑和网状拓扑。
网状拓扑是指传感器可以尽可能多的连接到邻近节点的网络。换言之，数据可以从一个节点“跳”到另一个节点，而不必遵循特定的路由或传感器层次结构。连接问题对网络性能的危害较小，因为数据可以采取多种途径到达处理组件。鉴于新的传感器只需要连接到现有的节点，网格拓扑也很容易扩展。
另一方面，网状拓扑的成本十分昂贵，且很难维护。有那么多的连接需要创建和管理，随着网络的发展，这将变得更加具有挑战性。
星型拓扑是指每个传感器直接连接到中央网关或集线器的网络。这些集线器接收传感器信息并将其传输到其他应用程序进行处理。在这种布局中，节点之间不直接通信。
与网状网络相比，因为需要更少的连接，星形网络更具成本效益。但由于任何新的传感器都必须连接中央集线器，而中央集线器的容量又有限，扩展网络就成了一大难题。
无线传感器以前是如何通信的？
直到现在，蜂窝技术还是广域网连接常见的选择。但是，蜂窝技术成本较高，并会消耗大量的能耗，这并不适合于远距离、低功耗的设备，如无线传感器。
除了蜂窝技术之外，WiFi、蓝牙（BLE）和Zigbee也可以支持无线传感器网络。这些标准也属于“传统无线解决方案”范畴，但均有其优缺点。
WiFi是当今商务办公和家庭中应用广泛的无线技术之一。WiFi使用2.4GHz和5 GHz ISM频段。因为WiFi普及程度较高，所以利用现有的网络来连接无线传感器是相对容易的。
然而，WiFi信号很难穿透墙壁，这对远程应用是不利的。此外，WiFi网络由本地路由器管理，这些路由器可能并不总是具有用于更新传感器密钥的直接用户界面。
BLE是一种与传统蓝牙技术不同的低功耗协议。BLE使用2.4GHz频段传输少量信息。与WiFi相比，无线标准的使用成本更低；然而，在通过墙壁或远距离发送数据时也存在同样的问题。此外，由于不少其他设备和标准使用2.4GHz频段，BLE容易受到信号干扰。
ZigBee是一种无线标准，它依赖于Mesh网络来支持单个网络中的大量节点（》65k）。ZigBee对于不需要太多带宽的无线传感器网络来说是理想的选择。
Zigbee的一个缺点是，为了共享信息以进行处理，某些传感器必须始终处于工作状态。因此，Zigbee的功耗还是偏高的。
无线传感器实用的通信标准是什么？
虽然传统的无线标准是有效的，但一种新的，对无线传感器网络更具效益的标准已经出现。低功耗广域网（LPWANs）作为远距离数据传输的关键技术正在不断发展壮大，LPWANs可以支持数十亿传感器，并将大量用于物联网应用。
与传统标准相比，LPWANs具有一些优势。首先，可以更低的比特率传输信息。只需进行一次电池充电，传感器就可以在LPWANs上运行几年。由于数据可以远距离传输，LPWANs还可以支持覆盖广大地理区域的传感器。
从成本角度来看，在LPWANs上部署无线传感器比其他方法更具性价比。由于数据速率太低，硬件需求就不那么强烈了。
使用LPWANs有几个缺点。LPWAN不太适合于涉及大数据包的应用程序。需要传输更多数据的传感器网络应该使用更大容量的蜂窝或短距离WiFi、BLE和Zigbee网络。此外，LPWANs使用未经许可的无线电频率，从干扰的角度来看，这可能更难管理。
应用于无线传感器的LPWANs有哪些？
用于无线传感器的三种主要LPWANs是LoRa、SigFox和NB-IoT。
LoRa是一种被广泛接受的标准，它使用线性调频扩频调制方案在非常远的距离上传输数据。LoRa是LoRaWAN（通过网关或LoRaWAN网络提供商连接无线传感器）公开可用的层规范。LoRaWAN具有比SigFox更高的带宽，并且可以在有干扰的环境中更有效地传输数据包。
使用LoRaWAN，数据可以在网关和网络服务器之间通过加密消息发送。服务器对最终发送到最终应用程序的数据进行身份验证和解密。用户可以通过LoRaWAN直接向无线传感器发送消息以重新配置设备。
LoRaWAN传感器根据传感器发送和接收消息的能力分为三类。A类设备一直处于休眠模式，直到有东西可传输。这些传感器可以随时发送上行消息，这使得它们在无线传感器和执行器网络（WSAN）中作用重大。
B类传感器为设备安排窗口以接收来自服务器的下行消息。C类传感器为消息维护一个打开的接收窗口，直到它们需要传输信息。因此，C传感器可以实现低延迟通信，但比其他类型的传感器消耗更多的功耗。
对于所有这些LoRaWAN传感器类型，网络开发人员必须有适当的网关硬件来接收数据并将信息传递给服务器。
SigFox使用超窄带传输将无线传感器直接连接到基站。该标准已在55个以上的国家/区域覆盖，并可以在美国以600bps的速率支持每个子频段超过100个以上的信道。但是，数据包仅限于12个字节，而且该标准不允许消息ACK（确认字符）。SigFox用户按每台设备和每天发送的上行与下行消息数量付费。
NB-IoT利用现有的蜂窝塔基础设施为低功耗设备提供广泛的覆盖范围。该标准采用保护带窄通道，以避免干扰，并能很好地穿透室内环境。2018年，T-Mobile通过4G网络增加了NB-IoT的覆盖范围。
构成无线传感器网络的必备要素是哪些？
设计无线传感器网络有几个关键特性行持续的维护和更换。
首先，应该易于在网络中定位节点。当开发人员知道在哪里可找到他们所有的设备时，进行传感器的维护（比如更换电池和更新组件）就容易多了。
第二，传感器网络应该能够承受节点故障而不会造成广泛的干扰。拓扑在网络如何处理连接性的问题中起着重要作用。部署无线传感器网络的用户必须选择能够承受组件故障的拓扑结构。
第三，网络应该易于扩展。开发人员必须能够有效地扩展他们的无线传感器网络，同时，不必投入大量的资金。
最后，功耗。使用的无线传感器应与物联网应用程序的数据需求保持一致。否则，网络管理员可能会花费大量的时间和资金进
无线传感器如何为万物互联赋能？
已经有很多真实的例子说明无线传感器技术如何被广泛应用于不同的行业和应用中。
安防部门在很多方面都采用了无线传感器技术。使用无线传感器，组织可以监视其场所，识别可疑活动，并跟踪有价值的资产。银行可以为员工将无线按钮转换为紧急按钮，零售商可以在每个建筑物的接入点上安装无线窗口传感器。房主还可以使用无线空气传感器来检测空气中的有害气体，如一氧化碳。
在公用事业管理方面，无线传感器有助于实现关键系统之间的自动化通信，并经行预测性报修。例如，可以在墙上安装漏水传感器，以检测水管故障或冬季可能爆裂的管道。服务器机房和数据中心正在使用无线绳索传感器来检测计算机硬件附近是否存在水珠。
无线传感器还支持灾害管理工作。在桥梁上安装无线传感器，可以探测超过某一阈值的水位，从而表明该地区有可能出现山洪。大型机械工厂正在使用无线振动传感器，在设备故障发生前进行预测。
在医疗保健领域，无线传感器可实时监控病人，无线按钮可作为PERS设备的高级护理设施。湿度传感器正在帮助医院设施管理人员为病人保持健康的环境条件。
零售商和杂货店正在地板上使用无线传感器来为顾客创造积极的体验。洗手间安装了无线推送传感器，这样购物者就可以指示何时需要清洁。无线空气温度设备也可在商店监控冰箱中的冷藏商品。
这些只是无线传感器网络如何提高生产生活的效率，并以积极的方式影响生活的几个例子。随着物联网领域的持续发展，期望看到更多创新的传感器应用改变现代社会的案例。
来源： 物联网空间站
工商网监
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